(57)【要約】【課題】  光の波長分解能を高く維持しながらも、小型化を図ることができる分光器を提供する。【解決手段】  入力された光がスラブ型導波路１２ａ内に形成された回折格子１７によって分光される分光器Ｓ１において、前記回折格子１７で分光された光が入射して伝搬する第１チャンネル導波路１５と、前記第１チャンネル導波路１５に隣り合うように配設された導波路で構成される共振器１６と、前記共振器１６を前記第１チャンネル導波路１５との間で挟み込むように配設されて、前記共振器１６で共振する光が引き出されて伝搬する第２チャンネル導波路１８とを備える。【選択図】      図１
2005121589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光がスラブ型導波路内に形成された回折格子によって分光される分光器において、
前記回折格子で分光された光が入射して伝搬する第１チャンネル導波路と、
前記第１チャンネル導波路に隣り合うように配設された導波路で構成される共振器と、
前記共振器を前記第１チャンネル導波路との間で挟み込むように配設されて、前記共振器で共振する光が引き出されて伝搬する第２チャンネル導波路とを備えることを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記共振器の前記導波路を加熱する加熱器を備えることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記共振器が複数配設されており、前記共振器の前記導波路の長さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
前記第１チャンネル導波路、前記共振器の導波路及び前記第２チャンネル導波路は、クラッド部で取り囲まれたコア部で構成されており、前記コア部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、シリコン・ゲルマニウム系化合物、亜鉛系半導体、ＬｉＮｂＯ3、リチウム・チタン系化合物、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び炭化シリコンの少なくとも１種を含み、前記クラッド部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、酸窒化シリコン系化合物、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマー及び空気の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の分光器。
【請求項５】
前記回折格子に照射する光を導くための入力側チャンネル導波路を備えており、当該入力側チャンネル導波路の光の入力端部、及び前記第２チャンネル導波路の光の出力端部は、それぞれの端に向かうにつれてその形状が先細りになっているとともに、前記入力端部及び前記出力端部は、当該入力端部及び当該出力端部を構成する材料に比べて屈折率が小さい材料で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の分光器。
【請求項６】
入射する光を分光する第１分光部と、前記第１分光部で分光された光をさらに分光する複数の第２分光部とを備える分光器であって、前記第２分光部は請求項１に記載の分光器であることを特徴とする分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された光を分光する分光器に関し、特にスラブ型導波路内に回折格子を有する分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外領域の光を分光する技術は、糖鎖、血糖、尿素等の生体物質や、二酸化炭素、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の環境物質の測定に応用することができるほか、農業や食品製造業等のあらゆる分野における成分分析に応用することができる。
【０００３】
波長が１〜４μｍ程度の近赤外領域の光は、一般に回折格子での反射を利用した分光法や、フーリエ変換赤外分光測定法（ＦＴＩＲ法）によって分光することができる。中でも回折格子を利用した分光法は、この分光法で使用する装置の構造が簡単であることから、様々な分野で利用されている。
【０００４】
回折格子を利用した分光器としては、例えば図１１に示すように、光源５０から放射された近赤外領域の光を回折格子５２に集めるレンズ５１と、回折格子５２で反射した光Ｌを検出するための検出器５４とを備えたものが知られている。この分光器では、レンズ５１で集められた光が回折格子５２で反射された際に、検出器５４の位置を移動させることによって、反射された光Ｌの反射角度が測定されるようになっている。つまり、この分光器では、回折格子５２で反射した光Ｌの角度によって分光器に入射した光の波長が特定されるようになっている。
【０００５】
しかしながら、この分光器では、回折格子５２と検出器５４との距離を長くとり、しかも複雑な駆動メカニズムによって検出器５４の位置決め精度を高めなければ、光の波長分解能を十分に得ることができないという問題があった。そのため、このような分光器は、小型化を図ることが困難であって、縮小化したとしてもデスクトップサイズまでが限界であった。
【０００６】
その一方で、マイクロマシン技術を応用して、スラブ型導波路内に回折格子を形成した分光器が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この分光器は、回折格子によって分光された光が集まる位置にダイオードアレイ（検出器）が配設されている。したがって、この分光器では、分光された光を検出するために検出器を移動させる必要がないので小型化を図ることができる。
【非特許文献１】清倉  孝規、分光研究  第５１巻  第１号別冊  第２３頁〜第２５頁「マイクロマシン技術による超小型分光器の開発とその応用」（２００２年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、この分光器は、回折格子と検出器との距離を短くすれば、さらなる小型化を図ることができるが、回折格子と検出器との距離を短くすると光の波長分解能が低下するという問題がある。そのため、この分光器では、必要な光の波長分解能を保つために、少なくとも２９ｍｍ×１４ｍｍ程度の大きさが必要とされ、これ以上に小型化することは困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、光の波長分解能を高く維持しながらも、小型化を図ることができる分光器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、入力された光がスラブ型導波路内に形成された回折格子によって分光される分光器において、前記回折格子で分光された光が入射して伝搬する第１チャンネル導波路と、前記第１チャンネル導波路に隣り合うように配設された導波路で構成される共振器と、前記共振器を前記第１チャンネル導波路との間で挟み込むように配設されて、前記共振器で共振する光が引き出されて伝搬する第２チャンネル導波路とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この分光器では、回折格子によって分光された光が、第１チャンネル導波路及び共振器を介して第２チャンネル導波路に引き出される際に、共振器は、その共振現象によって一定の波長間隔で光を取り出すとともに、その光を第２チャンネル導波路に出力する。つまり、この分光器では、共振器が所定の帯域を持ったスペクトルの一部を高精度に分光する。また、このような共振器での分光による光の波長分解能は、従来の分光器のように検出器との回折格子との距離に依存しないので、本発明の分光器によれば、検出器と回折格子との距離を近づけて小型化を図っても波長分解能を高く維持することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載された分光器において、前記共振器の前記導波路を加熱する加熱器を備えることを特徴とする。
【００１２】
この分光器では、加熱器によって共振器の導波路が加熱されると、導波路の屈折率が変化する。そして、屈折率が変化すると、共振器の共振波長が変化する。したがって、この分光器によれば、共振器の温度を変化させることによって、共振波長の位置を制御すること、つまり分光することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載された分光器において、前記共振器が複数配設されており、前記共振器の前記導波路の長さがそれぞれ異なることを特徴とする。
【００１４】
この分光器では、共振器の導波路の長さがそれぞれ異なっているため、共振波長がそれぞれ異なっている。したがって、このような分光器によれば、取り出したい複数の光の波長に応じてそれぞれの導波路の長さを変更すれば、取り出したい複数の光を、第２チャンネル導波路を通じて引き出すことができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載された分光器において、前記第１チャンネル導波路、前記共振器の導波路及び前記第２チャンネル導波路は、クラッド部で取り囲まれたコア部で構成されており、前記コア部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、シリコン・ゲルマニウム系化合物、亜鉛系半導体、ＬｉＮｂＯ3、リチウム・チタン系化合物、窒化シリコン、酸窒化シリコン及び炭化シリコンの少なくとも１種を含み、前記クラッド部は、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、酸窒化シリコン系化合物、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマー及び空気の少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【００１６】
この分光器では、コア部に前記したような高屈折率を示す材料が使用されているので、光をマイクロメータ（μｍ）オーダを下回る狭い領域に閉じ込めることができる。また、この分光器では、コア部に高屈折率を示す材料が使用されているので、コア部で形成された導波路が急峻に曲がるようにレイアウトされたとしても、導波路における光の進行が妨げられることがない。したがって、この分光器では、コア部で導波路を形成する際に導波路のパタンの自由度が増大する。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載された分光器において、前記回折格子に照射する光を導くための入力側チャンネル導波路を備えており、当該入力側チャンネル導波路の光の入力端部、及び前記第２チャンネル導波路の光の出力端部は、それぞれの端に向かうにつれてその形状が先細りになっているとともに、前記入力端部及び前記出力端部は、当該入力端部及び当該出力端部を構成する材料に比べて屈折率が小さい材料で被覆されていることを特徴とする。
【００１８】
この分光器では、入力端部及び当該出力端部を構成する材料に比べて屈折率が小さい材料で、先細りになった光の入力端部及び光の出力端部が被覆されているので、分光器の感度が高められる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、入射する光を分光する第１分光部と、前記第１分光部で分光された光をさらに分光する複数の第２分光部とを備える分光器であって、前記第２分光部は請求項１に記載の分光器であることを特徴とする。
【００２０】
この分光器では、第１分光部で分光された光は、請求項１に記載の分光器である各第２分光部でさらに高精度に分光される。したがって、この分光器によれば、広い帯域の波長を効率的に分光することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の分光器によれば、光の波長分解能を高く維持しながらも、小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態に係る分光器について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る分光器の斜視図、図２（ａ）は、図１の分光器の上部クラッド層、スポットサイズ変換部材及び熱線を取り除いた様子を示す斜視図、図２（ｂ）は、図１の分光器にスポットサイズ変換部材を取り付けた様子を示す斜視図、図３は、スポットサイズ変換部材の構造を説明するための斜視図、図４は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【００２３】
本実施の形態に係る分光器Ｓ１は、スラブ構造を利用したものであって、図１に示すように、基板１０と、この基板１０上に形成された下部クラッド層１１と、この下部クラッド層１１上に形成されたコア層１２と、このコア層１２上に形成された上部クラッド層１３とを備えている。なお、コア層１２は、特許請求の範囲にいう「コア部」に相当し、下部クラッド層１１及び上部クラッド層１３は、特許請求の範囲にいう「クラッド部」に相当する。この分光器Ｓ１では、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３との間に挟み込まれたコア層１２に、波長が１〜４μｍ程度の近赤外領域の光（以下、単に「光」という）を伝搬させるためのいわゆるスラブ型導波路１２ａが形成されている。
【００２４】
この実施の形態では基板１０としてシリコンウエハが使用されている。
コア層１２の材料としては、屈折率が２以上のものを使用することができ、具体的には、例えば、ガリウムヒ素系化合物、インジウム燐系化合物、シリコン・ゲルマニウム系化合物、亜鉛系半導体、ＬｉＮｂＯ3、リチウム・チタン系化合物、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン等が挙げられる。
【００２５】
下部クラッド層１１及び上部クラッド層１３の材料としては、コア層１２の材料と比較して屈折率が低いものを使用することができ、具体的には、酸化シリコンや、コア層よりも屈折率を低くした酸窒化シリコン膜、インジウム燐系化合物、ガリウムヒ素系化合物等が挙げられる。また、上部クラッド層１３の材料としては、例えば、エポキシ系材料、ポリイミド系材料等の樹脂材料が使用されてもよい。また、上部クラッド層１３を設けない構造のように、上部クラッド層１３は空気であってもよい。
【００２６】
この分光器Ｓ１は、図２（ａ）を併せて参照すると明らかなように、下部クラッド層１１上でコア層１２が所定の形状で削り出されることによって形成された、入力側チャンネル導波路１４、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６を構成するリング状導波路１６ａ、及び出力側チャンネル導波路１８を備えている。なお、切り出しチャンネル導波路１５は、特許請求の範囲にいう「第１チャンネル導波路」に相当し、出力側チャンネル導波路１８は、特許請求の範囲にいう「第２チャンネル導波路」に相当する。これらの導波路は、図２（ｂ）に示すように、これら導波路１４，１５，１６ａ，１８には、上部クラッド層１３が覆い被さっており、これら導波路１４，１５，１６ａ，１８の周囲は、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３とで取り囲まれている。また、分光器Ｓ１は、下部クラッド層１１上でコア層１２が所定の形状で削り取られた窪み１７ａに、図１に示す上部クラッド層１３を構成するシリコン酸化膜が嵌り込んで形成された回折格子１７を備えている。以下に、入力側チャンネル導波路１４、回折格子１７、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６、及び出力側チャンネル導波路１８の順番で説明する。
【００２７】
入力側チャンネル導波路１４は、図２（ａ）に示すように、下部クラッド層１１上でコア層１２が棒状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。この入力側チャンネル導波路１４には、分光器Ｓ１の縁部近傍で光が入力される入力端部１４ａが形成されている。この入力端部１４ａは、分光器Ｓ１の縁部、つまりに入力端部１４ａの端に向かうにつれて徐々に先細りになっている。そして、入力側チャンネル導波路１４は、下部クラッド層１１に沿って入力端部１４ａから直線状に延びた後、延びる方向を回折格子１７に向かう方向に変えて折れ曲がっている。そして、入力側チャンネル導波路１４の入力端部１４ａから延びた先端部１４ｂは、回折格子１７の格子面１７ｂに向き合うようになっている。
【００２８】
回折格子１７は、前記したように、コア層１２を回折格子１７の外形を象るように削り取った窪み１７ａに上部クラッド層１３を構成する材料が嵌り込んで形成されたものであり、入力側チャンネル導波路１４の先端部１４ｂと向き合う格子面１７ｂには、コア層１２の厚み方向に延びる微細な溝１７ｃが等間隔で平行に多数形成されている。この回折格子１７は、入力側チャンネル導波路１４の入力端部１４ａから入力されて、その先端部１４ｂから照射される光を格子面１７ｂで受けると、切り出しチャンネル導波路１５の基端部１５ａに向けて受けた光を反射する際にこの受けた光を単波長成分に分離（分光）するように構成されている。
【００２９】
切り出しチャンネル導波路１５は、回折格子１７によって分光された光のうち、後記するように所定の帯域の光のみを切り出して伝搬させるものである。この切り出しチャンネル導波路１５は、下部クラッド層１１上でコア層１２が棒状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。この切り出しチャンネル導波路１５は、回折格子１７の格子面１７ｂで反射された光を受け入れる基端部１５ａから分光器Ｓ１の縁部に向かって下部クラッド層１１に沿って直線状に延びるように形成されている。
【００３０】
共振器１６は、切り出しチャンネル導波路１５と隣り合うように配置されたリング状導波路１６ａで構成されている。このリング状導波路１６ａは、下部クラッド層１１上でコア層１２がリング状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。この共振器１６は、多くの共振点を有し、共振波長の間隔は一定となっている。そして、この共振器１６では、後記するように共振現象によって一定の波長間隔で、光を取り出すことができるようになっている。
【００３１】
出力側チャンネル導波路１８は、下部クラッド層１１上で共振器１６を切り出しチャンネル導波路１５との間で挟み込むように配設されている。この出力側チャンネル導波路１８は、下部クラッド層１１上でコア層１２が棒状に削り出されたものであり、その断面形状が矩形になっている。出力側チャンネル導波路１８は、分光器Ｓ１の縁部から共振器１６に近接するように延びた後、折り返して再び分光器Ｓ１の縁部の近傍まで延びている。この出力側チャンネル導波路１８には、後記するように、回折格子１７によって分光され、そして切り出しチャンネル導波路１５に切り出された光の帯域と、共振器１６によって共振する光の帯域とが重なる帯域の光のみが伝搬するようになっている。そして、分光器Ｓ１の縁部の近傍まで延びた出力側チャンネル導波路１８の先端には、出力側チャンネル導波路１８を伝搬した光が出力される出力端部１８ａが形成されている。この出力端部１８ａは、分光器Ｓ１の縁部、つまり出力端部１８ａの端に向かうにつれて徐々に先細りになっている。
【００３２】
また、分光器Ｓ１は、このような入力側チャンネル導波路１４、回折格子１７、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６、及び出力側チャンネル導波路１８のほかに、図１に示すように、スポットサイズ変換部材２０ａ，２０ｂと、熱線１９とを備えている。なお、この熱線１９は、特許請求の範囲にいう「加熱器」に相当する。
【００３３】
ここで図２（ａ）及び図２（ｂ）を併せて参照すると明らかなように、スポットサイズ変換部材２０ａは、入力側チャンネル導波路１４の入力端部１４ａに配設され、スポットサイズ変換部材２０ｂは、出力側チャンネル導波路１８の出力端部１８ａに配設されている。
【００３４】
スポットサイズ変換部材２０ａ及びスポットサイズ変換部材２０ｂは、図３に示すように、下部クラッド層１１上で入力端部１４ａ及び出力端部１８ａを被覆する第１被覆部材２１と、下部クラッド層１１上で第１被覆部材２１を被覆する第２被覆部材２２とで構成されている。
【００３５】
第１被覆部材２１は、下部クラッド層１１と比較して屈折率が大きく、かつ入力端部１４ａ及び出力端部１８ａを構成するコア層１２と比較して屈折率が小さい材料で構成されている。この第１被覆部材２１の材料は、下部クラッド層１１及び上部クラッド層１３の前記材料から適宜選択すればよい。
【００３６】
第２被覆部材２２は、第１被覆部材２１と比較して屈折率がやや小さい材料で構成されている。この第２被覆部材２２の材料は、下部クラッド層１１及び上部クラッド層１３の前記材料から適宜選択すればよい。
【００３７】
このようなスポットサイズ変換部材２０ａには、分光器Ｓ１の側面で露出する第１被覆部材２１の端面２１ａ（図１及び図３参照）に図示しない光ファイバが接続されるようになっている。なお、スポットサイズ変換部材２０ａの第１被覆部材２１の端面２１ａの大きさは、その幅及び高さが光ファイバのコア部（図示せず）の直径の半分程度から略同じ長さになるように設定すればよい。
【００３８】
そして、スポットサイズ変換部材２０ｂには、分光器Ｓ１の側部で露出する第１被覆部材２１の端面２１ｂ（図１参照）に、例えばこの分光器Ｓ１の外部に配設されたＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ）等の検出器（図示せず）に接続するための光ファイバ（図示せず）が接続されるようになっている。また、この分光器Ｓ１では、図５（ａ）に示すように、この光ファイバに代えて、端面２１ｂにＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ）等の検出器２４が接続されていてもよい。なお、この分光器Ｓ１では、図５（ａ）に示すように、出力端部１８ａにスポットサイズ変換部材２０ｂを介して検出器２４が接続されるような構造になっているが、出力端部１８ａに検出器２４を直接配設する場合には、スポットサイズ変換部材２０ｂを省略してもよい。
【００３９】
熱線１９は、共振器１６を加熱するものであり、図１に示すように、共振器１６の平面形状と略同じ形状の熱線部分１９ａを有している。この熱線１９は、図１及び図４に示すように、共振器１６の平面形状と略同じ形状の熱線部分１９ａが、共振器１６の上方に位置するように上部クラッド層１３の表面に形成されている。
【００４０】
次に、本実施の形態に係る分光器Ｓ１の動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図５（ａ）は、本実施の形態に係る分光器の動作を説明する概念図、図５（ｂ）は、回折格子によって分光された光から切り出しチャンネル導波路によって切り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、図５（ｃ）は、共振器によって一定の波長間隔で取り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、図５（ｄ）は、切り出しチャンネル導波路を伝搬する光のうち、共振器を介して出力側チャンネル導波路に吸い上げられた光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、図６は、共振器を加熱した際に、共振器の共振波長が変化する様子を示したグラフである。
【００４１】
まず、スポットサイズ変換部材２０ａに接続された光ファイバ２３にスペクトル分析に供せられる光２５が伝搬すると、この光２５は、スポットサイズ変換部材２０ａを介して入力側チャンネル導波路１４に入力される。このときスポットサイズ変換部材２０ａは、前記したように先細りになった入力端部１４ａ（図３参照）を第１被覆部材２１及び第２被覆部材が覆うような構造になっているため、光ファイバ２３の直径が数μｍ〜数十μｍ程度の微細なものであったとしても、この分光器Ｓ１は、光ファイバ２３と入力側チャンネル導波路１４とを高い変換効率で結合することができる。したがって、この分光器Ｓ１では、その感度が高められる。
【００４２】
入力側チャンネル導波路１４に入力された光は、入力側チャンネル導波路１４を伝搬することによって、先端部１４ｂから回折格子１７に向けて照射される。このとき入力側チャンネル導波路１４は、コア層１２から削り出されたものであり、前記したような大きい屈折率を示す材料で形成されている。したがって、この分光器Ｓ１では、入力側チャンネル導波路１４が高屈折率の材料で形成されていることから、光をマイクロメータ（μｍ）オーダを下回る狭い領域、つまり入力側チャンネル導波路１４に閉じ込めることができる。また、この分光器Ｓ１では、入力側チャンネル導波路１４が高屈折率の材料で形成されていることから、入力側チャンネル導波路１４を例えば数μｍの半径で急峻に曲がるようにレイアウトされたとしても、入力側チャンネル導波路１４内における光の進行が妨げられることがない。したがって、この分光器Ｓ１では、入力側チャンネル導波路１４のパタンの自由度が増大する。
【００４３】
次に、入力側チャンネル導波路１４の先端部１４ｂから照射された光は、回折格子１７で分光されるとともに、分光された光（スペクトル線）は、切り出しチャンネル導波路１５に入力されてこの切り出しチャンネル導波路１５を伝搬する。このとき基端部１５ａを所定の位置に設定することによって、切り出しチャンネル導波路１５を伝搬する光２６は、図５（ｂ）に示すように、回折格子１７で分光されたスペクトル線のうち波長が所定の帯域Ｆに属する光に限定される。このような光２６が伝搬する際に、切り出しチャンネル導波路１５は、前記した入力側チャンネル導波路１４と同じ高屈折率の材料で形成されているので、光を狭い領域に閉じ込めることができる。
【００４４】
その一方で、共振器１６は、図５（ｃ）に示すように、その共振現象によって一定の波長間隔で光を取り出すが、この分光器Ｓ１では、切り出しチャンネル導波路１５を伝搬する光２６が帯域Ｆの光に限定されているので、共振器１６は、図５（ｄ）に示すように、帯域Ｆに属する波長λ0の光のみを吸い上げる。
【００４５】
このような共振器１６は、前記した入力側チャンネル導波路１４と同じ高屈折率の材料で形成されているので、光を狭い領域に閉じ込めることができるとともに、急峻に曲がるようにレイアウトすることができる。したがって、この分光器Ｓ１の共振器１６は、半径が数μｍ程度のリング状導波路１６ａ（図１参照）で構成することができる。
【００４６】
このような共振器１６は、１０００〜１００００程度のＱ値を実現することができるため、共振波長の１／Ｑ程度、つまり０．１〜１ｎｍ程度の狭い共振ピークを得ることができる。そして、共振器１６の半径を数μｍ程度に設定にすることによって、共振器１６は、共振波長が生じる間隔を１００ｎｍ程度まで拡げることが可能になる。したがって、分光器Ｓ１の共振器１６は、ある帯域を持ったスペクトルの一部を高精度に分光することが可能となる。
【００４７】
このような共振器１６によって吸い上げられた波長長λ0の光は、出力側チャンネル導波路１８内を光２７として伝搬し、そしてスポット変換部材２０ｂを介して検出器２４で検出される。なお、光２７が出力側チャンネル導波路１８内を伝搬する際に、出力側チャンネル導波路１８は、前記した入力側チャンネル導波路１４と同じ高屈折率の材料で形成されているので、光を狭い領域に閉じ込めることができる。また、出力側チャンネル導波路１８は、高屈折率の材料で形成されているので、急峻に曲がるようにレイアウトすることができる。
【００４８】
その一方で、熱線１９（図１及び図４参照）に通電されると、熱線１９が発熱するとともに、熱線１９から上部クラッド層１３を介して伝わった熱によって共振器１６（図１参照）は加熱される。そして、リング状導波路１６ａが加熱されると、リング状導波路１６ａ（コア層１２）の屈折率が変化する。
【００４９】
このように屈折率が変化すると、図６に示すように、共振器１６が共振する周波数（波長）が前記した波長の帯域Ｆ（図５（ｂ）及び図５（ｄ）参照）を移動する。したがって、共振器１６の温度を変化させることによって、共振波長の位置を制御すること、つまり分光することができるようになる。
【００５０】
さらに具体的に説明すると、リング状導波路１６ａ（コア層１２）に例えばシリコンを用いた場合、波長を１％変化させるためには、１００Ｋから１５０Ｋ程度の温度上昇を瞬間的に生じさせる必要がある。リング状導波路１６ａの温度を瞬間的に温度上昇させ、そしてその温度が元に戻る過程で、波長が変化する現象を利用することによって、この分光器Ｓ１は、分光することができる。例えば１５００ｎｍの光において波長１％の変化は１５ｎｍの帯域に相当する。そして、例えば、リング状導波路１６ａの径を数十μｍ以下に設定するとともに、リング状導波路１６ａ（コア層１２）の厚みを、マイクロメータ（μｍ）を下回る厚みに設定することによって、高々数十マイクロＪの熱量を数ｍｓの間投入することでリング状導波路１６ａの温度調節が可能となる。このため、大きな外部電力と駆動回路を必要としないので、この分光器Ｓ１を組み込んだ分光装置全体を小型化することができる。
【００５１】
また、このように熱線１９で共振器１６を加熱する際に、上部クラッド層１３（図１参照）の厚みを数μｍに設定することによって、熱線１９での発熱量は、数ｍＪ〜数十ｍＪ程度に低く抑えることができる。また、下部クラッド層１１（図１参照）の厚みを低減することによって、共振器１６に加えた熱は、基板１０（図１参照）に向けて迅速に拡散する。その結果、共振波長の間隔での波長掃引は数ｍｓ程度で行うことができる。
【００５２】
以上のように、本実施の形態に係る分光器Ｓ１によれば、従来の近赤外分光法で用いられている分光器では、小型化しても高々数ｃｍ2止まりである大きさを、数百分の１の大きさの数ｍｍ2に小型化することができる。また、この分光器Ｓ１によれば、小型化してもなお波長の分解能を高く維持することができる。つまり、この分光器Ｓ１によれば、従来の分光器では実現できない、特定の狭い帯域の光のみを切り出すことができるため、高精度の分光が可能となる。
【００５３】
次に、本実施の形態に係る分光器Ｓ１の製造方法について適宜図面を参照しながら説明する。なお、ここではシリコンのコア層１２を備える分光器Ｓ１の製造方法について説明する。
【００５４】
まず、ＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）基板を用意する。このＳＯＩ基板は、図２（ａ）に示すように、シリコンウエハからなる基板１０上に形成された酸窒化シリコン膜からなる下部クラッド層１１と、この下部クラッド層１１上に形成されたシリコン膜からなるコア層１２とを備えたものである。コア層１２を構成するシリコン膜は、高抵抗ｐ型または高抵抗ｎ型の単結晶シリコンからなる膜であればよい。
【００５５】
また、シリコン膜は、所望の厚さより薄い高抵抗ｐ型または高抵抗ｎ型の単結晶シリコン膜の上に、ノンドープのシリコンの結晶を成長させて所望の厚さとしたものでも良い。なお、コア層１２を構成するシリコン膜は、光を導波することができれば、単結晶及び多結晶のいずれであってもよいし、ポリシリコンであってもかまわない。
【００５６】
次に、図２（ａ）に示すように、入力側チャンネル導波路１４、回折格子１７を埋め込むための窪み１７ａ、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６、及び出力側チャンネル導波路１８を、コア層１２を削ることによって形成する。これらの削り出しには、公知のリソグラフィグラフィ技術及びエッチング技術が採用されればよい。
【００５７】
次に、図２（ｂ）に示すように、入力側チャンネル導波路１４の入力端部１４ａ及び出力側チャンネル導波路１８の出力端部１８ａ（図２（ａ）参照）を覆うようにスポットサイズ変換部材２０ａ及びスポットサイズ変換部材２０ｂを形成する。なお、このようなスポットサイズ変換部材２０ａ及びスポットサイズ変換部材２０ｂは、図３に示すように、入力端部１４ａ及び出力端部１８ａのそれぞれに、第１被覆部材２１を構成する材料をＣＶＤ法やスパッタリング法によって堆積させて第１被覆部材２１を形成した後、この第１被覆部材２１に、第２被覆部材２２を構成する材料をＣＶＤ法やスパッタリング法によって堆積させて第２被覆部材２２を形成することによって形作ることができる。
【００５８】
そして、このようにしてスポットサイズ変換部材２０ａ及びスポットサイズ変換部材２０ｂを形成した後、図２（ｂ）に示すように、上部クラッド層１３を構成する材料をＣＶＤ法やスパッタリング法によって堆積させることによって、上部クラッド層１３を形成する。このように上部クラッド層１３を形成することによって、窪み１７ａには、上部クラッド層１３を構成する材料が嵌り込むことによって、回折格子１７が形成されるとともに、入力側チャンネル導波路１４、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６、及び出力側チャンネル導波路１８は、下部クラッド層１１上で上部クラッド層１３に埋め込まれる。そして、スポットサイズ変換部材２０ａに光ファイバ２３（図５（ａ）参照）を取り付けるとともに、スポットサイズ変換部材２０ｂに、前記したような外部に配設された検出器と接続するための光ファイバ（図示せず）や、あるいは検出器２４（図５（ａ）参照）を取り付けることによって、分光器Ｓ１は完成する。
【００５９】
このような分光器Ｓ１の製造方法によれば、ＬＳＩを量産するためのプロセスのように、大口径のウエハ上に複数の分光器Ｓ１を作り込むことができるため、分光器Ｓ１を容易に量産することができる。その結果、分光器Ｓ１の生産コストを低減することができる。
【００６０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施の形態には限定されない。例えば、本発明に係る分光器は、図７乃至図９に示すような分光器であってもよい。図７乃至図９は、他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。なお、前記実施の形態に係る分光器Ｓ１と同一の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６１】
図７に示す分光器Ｓ２は、切り出しチャンネル導波路１５が延びる方向に沿うように、４つの共振器１６が配設されている。また、共振器１６のそれぞれを切り出しチャンネル導波路１５との間で挟み込むように、４つの出力側チャンネル導波路１８が配設されている。
【００６２】
そして、共振器１６を構成するリング状導波路１６ａ（図１参照）の径（周の長さ）は、それぞれ異なっている。
【００６３】
このような分光器Ｓ２では、スポットサイズ変換部材２０ａを介して入力側チャンネル導波路１４に入力された光は、回折格子１７で分光されるとともに、切り出しチャンネル導波路１５に入力されることによって、前記実施の形態に係る分光器Ｓ１と同様に、所定の帯域Ｆ（図５（ｂ）参照）の光のみになるように切り出される。
【００６４】
そして、このような光が切り出しチャンネル導波路１５を伝搬する際に、それぞれの共振器１６は、リング状導波路１６ａの長さが異なっているため、共振波長（周波数）がそれぞれ異なっている。
【００６５】
したがって、このような分光器Ｓ２によれば、切り出しチャンネル導波路１５を伝搬する光のうち、取り出したい複数の光の波長に応じてそれぞれのリング状導波路１６ａの径（周の長さ）を変更すれば、取り出したい複数の光が出力側チャンネル導波路１８を通じて引き出されるので、それらの光をスポットサイズ変換部材２０ｂから出力させることができる。
【００６６】
図８（ａ）に示す分光器Ｓ３は、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６、出力側チャンネル導波路１８、及びスポットサイズ変換部材２０ｂをそれぞれ３つずつ備えている。そして、それぞれの共振器１６に熱線１９が配設されている。
【００６７】
このような分光器Ｓ３では、スポットサイズ変換部材２０ａを介して入力側チャンネル導波路１４に入力された光は、回折格子１７で分光されるとともに、それぞれの切り出しチャンネル導波路１５に入力される。その一方で、それぞれの共振器１６を構成するリング状導波路１６ａ（図１参照）が熱線１９で加熱されることによって、その屈折率が変更される。
【００６８】
したがって、このような分光器Ｓ３によれば、熱線１９によって、それぞれのリング状導波路１６ａの温度を変更することによって、それぞれのリング状導波路１６ａの屈折率を変えれば、それぞれの共振器１６の共振波長を変更することができる。つまり、この分光器Ｓ３によれば、それぞれのスポットサイズ変換部材２０ｂからリング状導波路１６ａの温度設定に応じて複数の分光された光を出力させることができる。また、この分光器によれば、１つのリング状導波路１６ａの温度設定を段階的に変更していくことによって、１つのスポットサイズ変換部材２０ｂから、それらの温度に依存した波長の光を観測することが可能となる。
【００６９】
図８（ｂ）に示す分光器Ｓ４は、３つの切り出しチャンネル導波路１５を備えるとともに、これらの切り出しチャンネル導波路１５の位置が、切り取った光の波長の帯域Ｆ（図５（ｂ）参照）がそれぞれ異なるように配置されている。そして、それぞれの切り出しチャンネル導波路１５に配設される共振器１６は、各切り出しチャンネル導波路１５が切り出した各帯域Ｆに相当する共振波長間隔を有するもの、つまり、そのような共振波長間隔を有するようにリング状導波路１６ａの径（周の長さ）を調節したものが使用されている。そして、それぞれの共振器１６には熱線１９が配設されている。
【００７０】
このような分光器Ｓ４によれば、それぞれの切り出しチャンネル導波路１５が切り出した光の波長の帯域Ｆを違えることができ、しかも熱線１９でリング状導波路１６ａを加熱することによって、共振器１６の共振波長を変更し、調節することができるので、検出したい波長領域毎に高分解能で分光した光を検出することができる。
【００７１】
図９に示す分光器Ｓ５は、第１回折格子１７ａと、この第１回折格子１７ａによって分光された光が伝搬する入力側チャンネル導波路１４と、この入力側チャンネル導波路１４を伝搬した光を受けて分光する第２回折格子１７ｂと、この第２回折格子１７ｂで分光された光を伝搬する切り出しチャンネル導波路１５と、この切り出しチャンネル導波路１５に隣り合うように配設される共振器１６と、この共振器１６を切り出しチャンネル導波路１５とで挟み込むように配設される出力側チャンネル導波路１８とを備えている。そして、この分光器Ｓ５は、入力側チャンネル導波路１４及び第２回折格子１７ｂをそれぞれ３つ備え、それぞれの第２回折格子１７ｂごとに、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６及び出力側チャンネル導波路１８をそれぞれ３つ備えている。なお、第１回折格子１７ａは、特許請求の範囲にいう「第１分光部」に相当し、第２回折格子１７ｂ、切り出しチャンネル導波路１５、共振器１６、及び出力側チャンネル導波路１８は、特許請求の範囲にいう「第２分光部」に相当する。
【００７２】
この分光器Ｓ５では、第１回折格子１７ａで分光された光が、各第２回折格子１７ｂでさらに分光される。そして、第２回折格子１７ｂで分光された光が、切り出しチャンネル導波路１５及び共振器１６を介して出力側チャンネル導波路１８に引き出される際に、共振器１６は、その共振現象によって一定の波長間隔で光を取り出すとともに、その光を出力側チャンネル導波路１８に出力する。つまり、この分光器Ｓ５では、入射された光が第１回折格子１７ａで分光され、そして、第１回折格子１７ａで分光された光が第２回折格子１７ｂで分光され、次いで、第２回折格子１７ｂで分光された光の一部を共振器１６が高精度に分光する。したがって、このような一連の分光は、第１回折格子１７ａを始めとし、各第２回折格子１７ｂ及び各共振器１６において行われる。したがって、この分光器Ｓ５によれば、広い帯域の波長を効率的に分光することができる。
【００７３】
また、前記実施の形態では、共振器１６を構成するリング状導波管１６ａが円環形状であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図１０（ａ）に示すように、円環を二分した２つの半体１６ｂと、半体１６ｂの間に直線部１６ｃを挿入したいわゆるレーストラック型形状の共振器１６（リング状導波管１６ａ）を使用するものであってもよい。
【００７４】
このような共振器１６は、直線部１６ｃの長さを変えることによって、共振波長を変えることができる。
【００７５】
また、共振器１６は、図１０（ｂ）に示すように、円環を二分した半体が連なった波型のものであってもよい。このような波型の共振器１６は、波間の距離Ｗによって共振波長を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の形態に係る分光器の斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１の分光器の上部クラッド層、スポットサイズ変換部材及び熱線を取り除いた様子を示す斜視図、（ｂ）は、図１の分光器にスポットサイズ変換部材を取り付けた様子を示す斜視図である。
【図３】スポットサイズ変換部材の構造を説明するための斜視図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る分光器の動作を説明する概念図、（ｂ）は、回折格子によって分光された光から切り出しチャンネル導波路によって切り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、（ｃ）は、共振器によって一定の波長間隔で取り出された光の波長と分光光強度との関係を示すグラフ、（ｄ）は、切り出しチャンネル導波路を伝搬する光のうち、共振器を介して出力側チャンネル導波路に吸い上げられた光の波長と分光光強度との関係を示すグラフである。
【図６】共振器を加熱した際に、共振器の共振波長が変化する様子を示したグラフである。
【図７】他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。
【図８】他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。
【図９】他の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。
【図１０】共振器の変形例を示す概念図である。
【図１１】従来の分光器の模式図である。
【符号の説明】
【００７７】
１２ａ  スラブ型導波路
１４    入力側チャンネル導波路
１４ａ  入力端部
１５    切り出しチャンネル導波路（第１チャンネル導波路）
１６    共振器
１７    回折格子
１８    出力側チャンネル導波路（第２チャンネル導波路）
１８ａ  出力端部
１９    熱線（加熱器）
Ｓ１    分光器
Ｓ２    分光器
Ｓ３    分光器
Ｓ４    分光器
Ｓ５    分光器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005121589.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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